一种VDW-420型真空扩散焊炉的设计介绍

2022-08-30董冰峰

科技创新导报 2022年10期

董冰峰

（北京华海中谊节能科技股份有限公司北京 102699）

真空扩散焊炉是在真空（或其他气体）条件下将材料热压成型的成套设备，主要采用在真空腔体内的钼带作为加热体，由液压缸驱动的石墨压头对工件进行加压。与普通石墨相比，等静压石墨作为压头，结构精细致密，且均匀性好，热膨胀系数很低，具有优异的抗热震性能和各向同性［1-2］。在高温下，生坯固体颗粒的相互键联，晶粒长大，空隙（气孔）和晶界逐渐减少，上下压头移动使工件压缩变形，从而工件材料达到除杂净化、高密度等的工艺要求。高温、加压及真空或其他条件的同时作用显著提高了产品的密度、硬度及其他机械、电子、热学性能，因此，真空扩散焊炉常用于制造多种复合材料或高温烧结［3-5］。

VDW-420型真空扩散焊炉主要用于钛合金产品、钛合金材料的同种或异种金属间的真空扩散焊接，也可用于其他产品的真空烧结工艺等。

1 VDW-420型真空扩散焊炉结构及技术特点

1.1 主要技术参数

本设备主要技术性能指标及参数如表1所示。

表1 VDW-420型真空扩散焊炉主要技术性能指标及参数

1.2 设备结构及技术介绍

VDW-420型真空扩散焊炉由真空炉主机、压力框架及液压缸、液压系统、压力控制与检测系统、真空系统、气动系统、水冷系统、充气与外循环风冷系统、计算机与电气控制系统、安全保护系统、装载料车等组成。

1.2.1 VDW-420型真空扩散焊炉主机

真空扩散焊炉主机为立式、方形单室结构，由炉体、炉盖、加热室、炉盖旋转装置及转角油缸、上下金属压杆及导向装置、上下石墨压头等组成。

炉体、炉盖体由双层筒体、炉口法兰及各功能接口组成。双层间为水道，内通冷却水，所有焊缝均为气密性焊缝，其中，炉体、炉盖体内壁采用304 不锈钢材料加工而成，能减少材料在高温下的放气量。

加热室为方形结构，由不锈钢框架、1 层钼镧合金、1 层普通钼、3 层不锈钢隔热屏、1 层护板组成的隔热层，以及高温钼加热元件和绝缘材料等组成。加热元件沿加热有效区均匀布置，能保证良好的炉温均匀性。加热元件为模块化设计，可单独拆卸。加热组件通过11 个水冷电极与外部接线连接。整个加热室可以作为一个整体结构单独拆卸，便于维护和修理。加热系统采用四区加热，四区控温。

炉盖旋转装置采用双铰链结构，克服了压力框架对炉盖开启度的影响，使炉盖能90°开启方便了操作，炉盖上的铰链轴又使炉盖法兰有一个小自由度，保证炉盖法兰与炉体法兰对合时能将密封圈平行压紧。炉盖旋转装置自带限位机构使开启角度不会过大，方便了操作。炉体法兰周边设多个转角油缸，使炉体能快速进入真空状态及充气系统工作时炉门不会自动打开。

上下金属压杆为内部水冷的压力传递件，是联接上下压杆和油缸的关键部件（油缸固定在压力框架上平台上，是施力源），上金属压杆与炉体间由导向装置联接，导向装置确保了上压杆加压位移时的动密封，密封材料主要为丁腈橡胶［6］。上金属压杆端部采用内螺纹法兰联接，使更换密封件十分方便，与油缸的联接靠法兰上均布的螺栓实现，因螺栓安装时有均匀的预紧力，从而使油缸与上金属压杆联接处抗弯能力加强。

上下石墨压头是真空扩散焊炉实现在热区对工件加压的执行元件，上下石墨压头采用西格里公司生产的热等静压石墨，抗拉强度为40.2MPa，抗折强度为61.7MPa，可以满足工件在高温下的长时间加压要求。压头运动部位加装位移传感器及限位保护装置。压头采用分体式结构，连接部和压头部分别加工成型，易于安装为一体，不仅降低了原料的获取难度，同时也降低了加工难度与加工成本。

1.2.2 压力框架及液压缸

压力框架为四柱式结构，上压头与真空炉活动压杆用4 组双作用油缸连接。4 组双作用油缸是承载四点压力，不是中心载荷。下压头与真空炉固定压杆，与压机下平台连接。本设备采用上压头单向加压，下压头为静止状态。全程程序控制压力，4 个压头可同时加压，也可独立控制加压。四柱式压力框架经过严密压力校核，确保320t 压力下无明显的弹性变形和挠度变形。微小的挠度变形由保持平台消解，确保平台的精度。

1.2.3 液压系统

液压系统采用双泵形式（定量泵和恒压变量泵），包括液压站集成块、换向阀、分级用两级溢流阀、进口流量伺服控制阀等［7］。油泵采用变量柱塞泵，配有独立的冷却循环泵，蓄能器、滤油器、空气滤清器、冷却器等元件。泵源部分采用箱上结构，采用减震、降噪音的设计技术。整个液压站设计为集中放置在压力框架的顶部，系统离液压缸距离近，控制反馈迅速，整体外形紧凑美观。双泵中的定量泵用于初始加压和冷却，恒压变量泵用于加压、压力控制。采用的伺服阀，频率响应速度快，控制精确。共分成4 组，每组控制一个压头。液压系统设有过压保护功能，可通过控制屏设定压力超限值，达到设定压力时，液压系统会自动泄压保护。

1.2.4 压力控制及检测系统

电液伺服系统的主要组成：一套恒功率泵站，一套独立油冷机冷却系统，4套伺服油缸总成（包括高响应伺服阀、位移∕压力传感器等）以及一套力位双控8通道伺服控制系统等。

液压油缸配合高精度位移传感器，在工作过程中，伺服作动器根据工艺要求运行至上位机指令的曲线，实现稳态闭环控制。液压油缸两端接高精度压力传感器，油缸配合磁致伸缩位移传感器，采用专用伺服液压运动控制器，因此，可以实现作动器速度和压力的无极调控。控制方式有力控制模式、位移控制模式、速度控制模式。实际工作过程中，根据设备工艺要求，运动控制器比较目标值与实际值后发出控制信号给伺服阀，伺服阀控制伺服油缸运行至上位机指令的压力控制状态，实现压力闭环控制。

1.2.5 真空系统

真空系统由莱宝DIP30000 高真空油扩散泵机组组成。机组主泵为DIP30000 油扩散泵，增压泵为WAU2001 型罗茨泵，前级泵为SV630B 型机械泵和D30C型维持泵。系统配有高真空阀、主路阀、旁路阀、维持阀及手动充气阀、真空微调阀、ZDF-Ⅲ-F真空计、电接点真空压力表等。机组结构紧凑，使用方便，调节系统准确、快速。

1.2.6 充气及外循环系统

充气系统由充气阀、真空微调阀、真空电接点压力表、真空截止阀等组成，可手动或自动调节充气量及抽真空时的分压操作。回充或分压用氮气（或氩气）的纯度：99.995%或99.9995%，回充气体压强≤0.2MPa。

外循环风冷系统由高速风扇、高效换热器、风可通过的加热室固定小盖、外循环罐体、管道、炉内导流装置等组成。在扩散焊工艺完成后，炉温降低到一定程度后开始气冷，以便缩短出炉时间。气冷时，充入高纯氮气（或氩气），在高速风扇驱动下形成强制对流循环，实现工件的快速气冷。气冷压强在0.8～2bar 之间可调。